MW機組W火焰鍋爐燃燒脈動現(xiàn)象研究分析

1、300MW機組W火焰鍋爐燃燒脈動現(xiàn)象研究分析宋紹偉郭衍根（國電菏澤發(fā)電廠山東 菏澤 274032）摘要：通過對菏澤發(fā)電廠300MW“W”火焰鍋爐實際運行情況的分析研究，結(jié)合該鍋爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計特點，認為其發(fā)生燃燒脈動現(xiàn)象的主要原因是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性偏低，燃燒器出力、鍋爐供風(fēng)以及燃燒調(diào)整不平衡，燃煤煤種偏離設(shè)計煤種過大，爐膛衛(wèi)燃帶脫落，空氣預(yù)熱器堵塞嚴重，各煤粉管道風(fēng)煤比偏差過大。對此提出了相應(yīng)的預(yù)防和解決措施，對于今后鍋爐安全、經(jīng)濟運行有重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：W火焰鍋爐；燃燒脈動；均勻性0前言目前，國內(nèi)外對于大型W火焰鍋爐運行規(guī)律缺乏系統(tǒng)的理論與實驗研究，對其運行特性缺乏深入的了解，現(xiàn)有的運行

2、經(jīng)驗有待進一步總結(jié)。近年來，由于設(shè)備、煤質(zhì)以及燃燒調(diào)整等方面的原因，國電菏澤發(fā)電廠4鍋爐出現(xiàn)了爐膛負壓波動大（-400+300Pa）、火焰電視忽明忽暗燃燒不穩(wěn)定、負荷響應(yīng)慢、飛灰可燃物偏高（5%12%）偏高等一系列問題。爐膛負壓波動大嚴重時，不僅影響機組的帶負荷能力、使鍋爐機組不能在設(shè)計工況下滿出力運行、發(fā)供電煤耗上升，更嚴重的是加大出現(xiàn)鍋爐滅火及滅火放炮事故，危及機組的安全穩(wěn)定運行。為防止鍋爐滅火、放炮，保證鍋爐的燃燒穩(wěn)定，只好投油槍穩(wěn)燃、助燃，燃油消耗急劇增加，生產(chǎn)成本大幅度上升。1燃燒系統(tǒng)設(shè)計特點菏澤發(fā)電廠二期工程2×300MW機組，配備了英國三井巴布科克能源有限公司(Mits

3、ui Babcock Energy Limited，簡稱MBEL)生產(chǎn)的鍋爐。鍋爐為單爐膛、平衡通風(fēng)、一次中間再熱，亞臨界參數(shù)自然循環(huán)鍋爐，蒸發(fā)量為1025t/h,采用“W”火焰燃燒方式。鍋爐設(shè)計煤種為85%無煙煤+15%半無煙煤，設(shè)計煤種特性見表1。鍋爐燃燒系統(tǒng)由制粉及分離裝置、燃燒器及噴口、煙風(fēng)系統(tǒng)及輔機、爐膛及燃燒室等組成。爐膛在23m高度爐拱處分為上下2部分，下爐膛截面為19320mm×15630mm，呈八角形；上爐膛為19320mm×7176mm，呈長方形；爐膛容積為6557m3。爐膛四周敷設(shè)569m2衛(wèi)燃帶。狹縫式燃燒器分組布置在前后爐拱上，三次風(fēng)從前后墻下部引

4、入（如圖1所示），利用分級燃燒原理降低NOx的生成。爐膛前后兩側(cè)爐拱處各布置了3組直流垂直下射狹縫式燃燒器，每組燃燒器由4只主煤粉噴口、4只乏氣噴口、8只二次風(fēng)噴口組成。二次風(fēng)噴口分別設(shè)在主煤粉噴口和乏氣噴口的兩側(cè)，每組燃燒器設(shè)有2支油槍。在爐膛后墻爐底處設(shè)置了爐底注入熱風(fēng)，用以負荷改變時調(diào)整再熱汽溫。表1設(shè)計煤種特性項 目設(shè)計煤種空干基碳Cad/ %64.30空干基氫Had/ %2.38空干基氧Oad/ %3.58空干基氮Nad/ %0.95空干基硫Sad/ %0.81全水分Mar/ %8.75空干基水分Mad/ %2.69空干基灰分Aad/ %25.28干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf/ %11.

5、36收到基低位發(fā)熱量Qar,net/ kJ·kg-122 137圖1爐膛及燃燒系統(tǒng)示意圖鍋爐制粉系統(tǒng)由6臺皮帶秤重式給煤機、3臺雙進雙出鋼球磨煤機及分離器、旁路風(fēng)等組成，每臺磨煤機的一端分別對應(yīng)一組燃燒器。原煤在磨煤機中破碎研磨經(jīng)分離器分離后，不合格的大顆粒煤粉通過回粉管道及氣動控制閥門重新返回磨煤機再研磨，合格的煤粉送往爐拱上部的旋風(fēng)子，在旋風(fēng)子中約占35%的一次風(fēng)量攜帶被分離出的約85%的較粗煤粉，通過主煤粉噴口垂直射入下爐膛燃燒，其余約65%的一次風(fēng)量攜帶約15%細煤粉通過乏氣噴口垂直射入下爐膛燃燒1。2鍋爐燃燒脈動及其分類鍋爐燃燒脈動是指鍋爐或燃燒器的燃燒工況由于受到內(nèi)擾或外

6、擾的影響而發(fā)生的周期性變化。鍋爐燃燒脈動可以分為鍋爐整體燃燒脈動和燃燒器燃燒脈動兩類。當發(fā)生鍋爐整體燃燒脈動時，機組負荷、鍋爐的燃料供應(yīng)量、爐膛溫度、爐膛負壓等參數(shù)會隨著燃燒的脈動而周期性地波動，同時燃燒器的熱功率也會發(fā)生脈動。當發(fā)生燃燒器燃燒脈動時，某個或某幾個燃燒器的燃燒工況會發(fā)生強弱相間的周期性變化，在就地的看火孔處可以看到火焰明暗交替地周期性變化，此時的鍋爐負荷可能變化也可能不變化，這與發(fā)生脈動的燃燒器的熱功率、脈動的強度以及控制系統(tǒng)有關(guān)2。3鍋爐燃燒脈動的產(chǎn)生原因分析3.1產(chǎn)生鍋爐整體燃燒脈動的原因控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性偏低當鍋爐的燃燒工況受到較大幅度的外擾時（如大幅度增減負荷、鍋爐燃料量

7、突變、重要輔機故障掉閘等），由于控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，而引起燃燒工況的波動。由于菏澤發(fā)電廠#4鍋爐送風(fēng)機風(fēng)量自動調(diào)節(jié)依據(jù)是二次風(fēng)母管壓力而不是氧量，很容易造成爐膛負壓的波動。燃燒器出力、鍋爐供風(fēng)以及燃燒調(diào)整不平衡當燃燒器出力、鍋爐供風(fēng)以及燃燒調(diào)整不平衡時，必然會導(dǎo)致一些燃燒器的著火條件變差，煤粉著火推遲，燃燒速度降低。由于W火焰鍋爐爐膛內(nèi)敷設(shè)有大量的衛(wèi)燃帶，并且有較大的爐膛容積，所以鍋爐熱慣性較大，溫度變化較慢，火焰的燃燒行程較長。對于無煙煤，由于其含碳量較高、揮發(fā)份較低，著火和燃盡都相對比較困難，需要較長時間，進一步增加了鍋爐的熱慣性。當鍋爐的燃燒工況發(fā)生變化時，爐膛溫度的響應(yīng)慢，可能會導(dǎo)致著火較

8、差的燃燒器的燃燒工況達到某一臨界狀態(tài)，引起燃燒脈動。在這種情況下，燃燒的脈動幅度一般會隨著負荷的升高而增大,當達到臨界狀態(tài)時會發(fā)生滅火。2005年某日，菏澤發(fā)電廠#4機組負荷270MW，主蒸汽壓力16.5Mpa，主蒸汽溫度541，爐膛火焰電視忽明忽暗，爐膛負壓波動明顯增大（-400pa+300pa）。最終導(dǎo)致爐膛壓力高保護動作，鍋爐滅火。煤質(zhì)變化較大2004年以來，全國煤炭市場煤源緊張，菏澤發(fā)電廠鍋爐燃用煤質(zhì)亦發(fā)生了較大變化。從鍋爐燃燒不穩(wěn)時取得煤樣分析，一種情況是揮發(fā)分含量較低；另一種情況是固定碳含量較高。揮發(fā)分含量愈少，煤的著火溫度愈高，著火愈困難，煤粉流的燃燒穩(wěn)定性愈差，也愈難于燃盡 3

9、。當燃煤接近設(shè)計煤種后，燃燒便穩(wěn)定?？諝忸A(yù)熱器漏風(fēng)率增大以及蓄熱元件部分變形、堵灰，引起爐膛壓力周期性脈動2006年初，運行人員發(fā)現(xiàn)空預(yù)器進出口壓差增大，一次風(fēng)、二次風(fēng)、爐膛負壓波動幅度也逐漸增加，且呈現(xiàn)周期性變化，擺動一個周期為78秒，而空氣預(yù)熱器正常運行的轉(zhuǎn)速為0.75rpm (即旋轉(zhuǎn)一周的時間為80秒)，恰好吻合，這說明空氣預(yù)熱器有部分堵塞現(xiàn)象。2006年8月，#4鍋爐停爐后，進入空氣預(yù)熱器內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)，空氣預(yù)熱器低溫段蓄熱片、中溫段最外側(cè)蓄熱片堵灰嚴重（見圖2）；B空氣預(yù)熱器低溫段A圈、A空氣預(yù)熱器B圈蓄熱片下部腐蝕、吹損較嚴重（見圖3）。3.2發(fā)生燃燒器燃燒脈動的原因燃燒器工作不正常

10、在一定條件下，如果燃燒工況不太好的某燃燒器受到擾動而使燃燒減弱時，會使該燃燒器所對應(yīng)的區(qū)域的溫度降低（如圖1），煙氣的黏度減小，火焰下沖過程中的黏滯阻力相應(yīng)減小，火焰的下沖行程增加。而煤粉在區(qū)域停留時間的延長、放熱量的增加，會使得該區(qū)域的煙氣溫度升高。這樣一來，又造成了區(qū)域所接受到的熱量（包括輻射熱和卷吸煙氣的熱量）增加，區(qū)域的煙氣溫度逐漸升高，煤粉的著火條件改善。著火條件的改善，會使得煤粉的著火提前，區(qū)域的煙氣溫度升高，煙氣黏度增加，火焰下沖的黏滯阻力增加，下沖行程縮短。煤粉在區(qū)域的停留時間縮短、放熱量減少，區(qū)域的平均溫度降低，區(qū)域所接受到的熱量減少。煤粉的著火條件變差，區(qū)域的溫度下降，煙氣

11、黏度降低，火焰的下沖行程增加周而復(fù)始，產(chǎn)生了燃燒器燃燒脈動。在此過程中，由于爐膛熱慣性較大，爐溫的變化相對較小，所以其他燃燒器的燃燒狀況和鍋爐整體的燃燒相對比較穩(wěn)定（如圖4）。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)與燃燒器的類型和熱功率大小有密切關(guān)系。一般熱功率大、卷吸能力強的燃燒器出現(xiàn)該現(xiàn)象的機會較少，熱功率較小、卷吸能力弱的燃燒器出現(xiàn)該現(xiàn)象的機會較大。圖4為C4燃燒器火檢信號趨勢，為B4燃燒器火檢信號趨勢，為機組負荷趨勢各煤粉管道粉量偏差、風(fēng)煤比偏差較大鍋爐每組燃燒器呈獨立的配風(fēng)體系，2組燃燒器間隔2400 mm，爐內(nèi)幾乎為平行流場，氣流橫向混合性能較差而影響風(fēng)煤的后期混合，過剩氧量高于設(shè)計值，且每組燃燒器的風(fēng)煤

12、配比均衡，才能獲得較高的燃盡度。菏澤發(fā)電廠#4爐煤粉管道粉量偏差高達到33.06%，煤粉管道風(fēng)煤比偏差高達21.3%（如表2），遠遠超過火力發(fā)電廠煤粉制備系統(tǒng)和設(shè)計方法中所要求的8%和10%4，表現(xiàn)出來燃燒狀況不理想、負荷響應(yīng)慢、爐膛負壓大幅度波動大、爐渣可燃物高，嚴重影響了鍋爐的安全經(jīng)濟運行。表2 #4爐磨煤機煤粉管道出力表項目A13A24B13B24C13C24燃燒器火檢強度/ %85/7683/7882/9482/8866/5782/80煤粉管道粉量/ kg·s-12.253.394.003.693.613.22一次風(fēng)量/ kg·s-116.314.914.7煤粉管道

13、粉量偏差/ %-33.060.8319.019.927.44-4.13風(fēng)煤比/ %0.350.520.46煤粉管道風(fēng)煤比偏差/ %21.317.55.8制粉系統(tǒng)、旋風(fēng)子故障引起所對應(yīng)的燃燒器發(fā)生燃燒脈動一般說來，鍋爐整體燃燒脈動必然伴隨著燃燒器的燃燒脈動，但是，燃燒器的燃燒脈動卻未必會引起鍋爐整體燃燒脈動。是否會引起鍋爐整體燃燒脈動，與發(fā)生燃燒脈動的燃燒器的熱功率有密切聯(lián)系。4鍋爐燃燒脈動的預(yù)防及解決由以上分析可知，鍋爐燃燒的脈動問題主要是由于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性偏低，燃燒器出力、鍋爐供風(fēng)以及燃燒調(diào)整不平衡，燃煤煤種偏離設(shè)計煤種過大，爐膛衛(wèi)燃帶脫落，各煤粉管道風(fēng)煤比偏差過大引起的。所以，鍋爐燃燒脈

14、動問題的預(yù)防及解決應(yīng)該從以下幾方面進行。4.1加強燃料分析，做好配煤摻燒工作對各煤場煤種、煤質(zhì)參數(shù)、堆料情況登記在冊，并定期進行煤場實地取樣化驗，根據(jù)負荷情況合理配煤摻燒，如高負荷加大優(yōu)質(zhì)煤比例、低負荷多燒劣質(zhì)煤，并采用分層平鋪揭頂?shù)姆椒?，根?jù)熱值、揮發(fā)分、煤質(zhì)情況對各煤場各種煤進行混合上煤，既安全、穩(wěn)定滿足了調(diào)度負荷的要求，又將非設(shè)計煤種及劣質(zhì)煤全部用完。健全配煤摻燒快速反應(yīng)機制，管理人員和煤檢驗人員隨時候命，鍋爐燃燒出現(xiàn)不穩(wěn)時，快速啟動應(yīng)急預(yù)案，化學(xué)分析、燃料部、發(fā)電部管理人員緊急行動，指導(dǎo)上煤和鍋爐燃燒調(diào)整，確保煤種正確更換或摻配，維護機組穩(wěn)定。燃料皮帶運行各班隨時做好配煤摻燒記錄，發(fā)電

15、部每周進行一次檢查和分析，總結(jié)經(jīng)驗、不斷提高。每日公布當日用油和燃煤情況，以在全廠群策群力，形成合力，保機組安全運行。4.2減小各煤粉管道風(fēng)煤比偏差將鍋爐煤粉分配器更換雙可調(diào)煤粉分配器，降低各煤粉管道風(fēng)煤比偏差和速度偏差提高各燃燒器之間的均勻性，改善燃燒器的著火條件，提高其著火的穩(wěn)定性。4.3更換或沖洗空氣預(yù)熱器蓄熱元件原空氣預(yù)熱器沖洗裝置，沖洗壓力低，只能沖掉浮灰，不能有效清除蓄熱元件上的灰垢，當再次點火時潮濕的灰垢被燒結(jié)成了“磚”使堵灰更加嚴重。2006年9月、10月，分別對#4、#3號鍋爐空氣預(yù)熱器磨損、腐蝕、減薄的低溫段換熱元件進行了全部更換，對中溫段換熱元件進行了高壓水射流沖洗、堿洗

16、后裝復(fù)。空氣預(yù)熱器更換和清洗后，空氣預(yù)熱器壓差大幅度降低，漏風(fēng)率降低、換熱效率得到提高，同時鍋爐燃燒趨于穩(wěn)定。4.4加強燃燒調(diào)整，提高各燃燒器之間的均勻性加強燃燒調(diào)整，提高各燃燒器之間粉量、風(fēng)量的均勻性，改善燃燒器的著火條件，提高其著火的穩(wěn)定性。鍋爐的合理配風(fēng)影響到鍋爐的燃燒性能，若優(yōu)化調(diào)整后，運行方式合理，則鍋爐能安全、經(jīng)濟運行。一次風(fēng)速、風(fēng)壓不要過高或過低。磨煤機的通風(fēng)量在保證不堵磨前提下采用低風(fēng)量，以提高燃燒器附近的煙氣溫度及煤粉濃度，提高著火穩(wěn)定性；為增加W形火焰行程及煤粉在爐內(nèi)的停留時間，三次風(fēng)及爐底熱風(fēng)量宜調(diào)整適當，否則會造成火焰行程縮短或造成較粗顆粒，末燃燼煤粉沖向爐底，不利于燃

17、料的燃燼；密切注意氧量的變化，氧量是反映燃燒最重要的參數(shù)，特別是煤質(zhì)變差時氧量上升較快。一般氧量應(yīng)控制在3%5%為宜。磨煤機出口溫度越高，煤粉越容易著火，在磨煤機軸承溫度允許的條件下盡可能地提高磨煤機出口溫度。4.5合理選擇煤粉細度，適當加大磨煤機出力裕度煤粉細度對燃燒的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性有相當大的影響。理論研究和運行實踐表明，對于低揮發(fā)份煤種，煤粉磨的更細一些，對其著火和燃盡都十分有利。西安熱工研究院修訂的“電站磨煤機及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則”（DL/T466-2004）中，將原導(dǎo)則中煤粉細度的推薦公式由R90=0.5nVdaf+4修正為R90=0.5nVdaf（R90為煤粉細度； n為煤粉均勻性指數(shù)

18、，一般取0.81.0；Vdaf為干燥無灰基揮發(fā)分），并對降低煤粉細度經(jīng)濟性做了認真的比較。按照TPRI的研究，對于設(shè)計和實際燃用煤種，菏澤發(fā)電廠二期“W”火焰鍋爐合理的煤粉細度為R90=7%乃至更細一些比較合適。運行中煤粉細度采用分離器擋板開度進行調(diào)整。5效果及結(jié)論通過對菏澤發(fā)電廠#4鍋爐各配風(fēng)擋板供風(fēng)比例的合理分配和強化入爐煤質(zhì)管理，基本上消除了燃燒器的燃燒脈動,爐膛負壓的波動幅度由-400+300Pa減小到-100+10Pa。同時，還使得鍋爐飛灰可燃物含量由調(diào)整前的6.4%下降到4.1%，降低了2.3 %。按飛灰可燃物含量每減少l%，發(fā)電煤耗減少1.13 g/(kWh)計算，煤耗降低2.599 g/(kWh),鍋爐燃燒的經(jīng)濟性明顯提高。燃燒脈動現(xiàn)象的發(fā)生與燃燒器之間調(diào)整偏差的大小有著密切關(guān)系，應(yīng)盡